بهینه سازی ساختاری فین های روی صفحه در انتقال حرارت جابجایی آزاد

از آنجایی که عملکرد این تجهیزات رابطه مستقیمی با دما دارد، نگه داشتن آن ها در سطح دمای قابل قبول بسیار مهم است. گاهی اوقات نیاز است یک صفحه گرم را بدون کمک انتقال حرارت جابجایی اجباری خنک کنیم یا در یک دمای ثابت نگه داریم، در اینجاست که استفاده از فین در انتقال حرارت جابجایی آزاد روشی مناسب به نظر می رسد. در مطالعه حاضر هدف این است که انتقال حرارت جابجایی آزاد از یک صفحه گرم فین دار را بهینه کنیم. در بهینه سازی ها از الگوریتم ها و روش های مختلفی استفاده می شود؛ یکی از این روش ها، تئوری ساختاری می باشد. برخلاف بهینه سازی ترمودینامیکی که در آن به دنبال یک تعادل یکتا (برای برگشت ناپذیری کمینه) بین عملکرد انتقال گرما و عملکرد مکانیک سیالات هستیم، در طراحی ساختاری هدف پیداکردن الگویی است که در آن هر دوی این عملکردها به بالاترین سطح ممکن برسند. با استفاده از تئوری ساختاری تعداد فین ها و موقعیت آنها، هندسه آنها مانند ارتفاع و ضخامت را جهت انتقال حرارت حداکثر از آنها تحت قیود مشخصی بدست می آوریم. این قیود عبارتند از دمای صفحه و ابعاد صفحه گرم و جرم ماده ای که قصد داریم فین ها را با آن بسازیم و درجات آزادی شامل زاویه صفحه گرم با افق، ضخامت فین ها، ارتفاع فین ها و فاصله فین ها با یکدیگر است. برای حل تحلیلی از روابط انتقال حرارت جابجایی آزاد و روش تقاطع مجانب ها در تئوری ساختاری استفاده می شود. ولی مسئله علاوه بر حل تحلیلی، بصورت عددی نیز حل می گردد و نتایج آن با هم مقایسه و تحلیل شده و ساختار بهینه به دست می آید. در یک حالت، ضخامت، ثابت در نظر گرفته شده، و ارتفاع فین ها و فاصله بین آنها بهینه می شود. در حالت دیگر فین های کوچکتر بین سایر فین ها قرار می گیرند، تا از فضای گرم نشده بین آنها استفاده شود. در این دو حالت نتایج حل تئوری به کمک روش تقاطع مجانب ها و حل عددی به کمک نرم-افزار هم خوانی دارد. در ادامه تاثیر ابعاد و اختلاف دمای فین ها و محیط اطراف، بر روی افزایش انتقال حرارت از فین ها و هندسه بهینه، بررسی می شود و سپس بر روی اثر ضخامت فین ها و همچنین زاویه صفحه پایه با افق، بحث خواهد شد. در بررسی زاویه صفحه پایه با افق، دو حالت مورد توجه قرار گرفته است. یکی حالتی که صفحه پایه فین دارد و حالت دیگر اینکه صفحه پایه بدون فین باشد و تفاوت تغییرات میزان شار حرارتی صفحه و فین ها در دو حالت بررسی شده است.